机车牵引齿轮强度计算及齿向修形方法研究

秦美超 曲云飞 贾彦光

(中车大连机车车辆有限公司技术开发部 辽宁 大连 116021)

机车牵引齿轮强度计算及齿向修形方法研究

秦美超 曲云飞 贾彦光

(中车大连机车车辆有限公司技术开发部 辽宁 大连 116021)

根据GB 3480—1997标准采用Excel表格编制了齿轮强度计算程序，并分析了机车主动齿轮齿向修形的2种不同形式。

牵引齿轮；弯曲强度；接触强度；齿向修形

牵引齿轮是机车的重要组成部分，由它将牵引电动机的输出扭矩传递给轮对，使机车能够运行。牵引齿轮对机车的振动、噪音和安全运行影响很大。随着生产和科学技术的进步，机车正朝着高速、重载方向发展，这就对齿轮提出了更高的要求。机车牵引齿轮载荷大、速度高，所以应保证齿轮具有较高的弯曲强度、接触强度、胶合强度，改善齿轮的啮合性能，降低啮合时的动载荷和冲击，保证齿轮的良好润滑[1]。齿轮强度校验和主动齿轮齿向修形对于提高齿轮传动性能和齿轮寿命有很大作用。

1 齿轮强度计算

1.1 齿轮强度公式编制

GB 3480—1997《渐开线圆柱齿轮能力计算方法》标准中提供了齿轮强度的计算方法，在齿轮强度计算的过程中，计算量大且繁杂，各个参数联系密切，1个参数出错将导致整个计算全部错误，并且修改非常麻烦。为了简化计算流程，减少不必要的工作量，可以采用Excel表格插入公式编辑器的方式，首先针对机车牵引齿轮的运行特点，从GB 3480—1997标准中整理提取相关计算公式，应用Excel表格的计算公式编辑功能编制机车牵引齿轮强度计算程序，然后输入已知数据根据公式便可得到相应的结果。这样不但提高了效率，还大大提高了准确度，并且在发现问题的时候，追溯查询问题根源也能一目了然。计算程序编完后需认真检查每个参数，然后用已经经过强度计算的齿轮作为参照，输入相关参数后对所编程序的正确性进行验证。

应用所编程序计算了某型机车齿轮不同工况下的强度，如表1所示。

表1 不同工况下齿轮强度的计算

根据GB/T 3480—1997标准中所推荐的最小安全系数可得出各工况安全可靠度如表2所示。

表2 各工况可靠度结果

1.2 齿轮静强度计算

对齿轮在瞬时短路工况下的强度安全系数进行了验算，结果如表3所示。根据上述计算数据，在瞬时短路扭矩作用下，齿轮的接触强度安全系数及弯曲强度安全系数均在GB/T 3480—1997标准中规定的一般可靠度(SFmin：1.25，SHmin：1.00～1.10)之上，可见静强度满足要求。

表3 齿轮的静强度计算结果

2 机车牵引齿轮齿向修形

2.1 主动齿轮对称布置时的齿向修形

主、从动牵引齿轮在实际工作中产生较大的相对偏斜，使齿向载荷分布明显不均、承载能力下降。因此，必须根据相对偏斜量对主动齿轮进行相应的齿向修形。

根据计算分析主动齿轮受载时不产生倾斜变形，只是跟随着抱轴箱产生少量偏斜，所以从动齿轮的偏斜是决定主动齿轮齿向修形曲线的主要因素。

图1 前导面工作时车轴弯曲及齿轮的偏斜

图2 电机后导面工作时车轴弯曲及齿轮的偏斜

图3 某型机车主动齿轮的齿向修形图

在确定牵引齿轮的修形量时还要考虑各种不同工况的影响因素。在俯视图中，以轮对前进方向为前方，如电机在车轴后方，则主动齿轮的工作面为后导面，如电机在车轴前方，则主动齿轮的工作面为前导面[2]。如图1所示，当主动齿轮顺时针方向旋转时(从主动齿轮外端看)，主动齿轮的右侧齿面工作(电机前导面)，虽然主动齿轮的偏斜量很小，但从动齿轮的偏斜量较大。若不进行修形将在主动齿轮齿宽靠近电机侧形成尖角接触，在齿宽远离电机的外侧却存在着初始间隙，会导致靠近电机侧的齿面承载过大而损伤。因此，要对主动齿轮的电机前导面靠近电机的一侧齿面加大修形量。如图2所示，当主动齿轮逆时针方向旋转时(从主动齿轮外端看)，主动齿轮的左侧齿面工作(电机后导面)，同样道理，将在主动齿轮齿宽远离电机侧的外端形成尖角接触，而在靠近电机的一侧存在初始间隙，需要对主动齿轮的电机后导面远离电机的外侧齿面加大修形量。综上，在修形计算中必须兼顾各主要载荷下的齿向载荷分布情况，进行优化综合处理。根据以上原理某型机车主动齿轮的齿向修形如图3所示。

2.2 主动齿轮悬臂布置时的齿向修形

主动齿轮呈悬臂布置，电机后导面工作时主动齿轮的受力情况如图4所示，主动齿轮受力后电机轴发生弯曲。此时主动齿轮、从动齿轮都发生倾斜，且倾斜方向相同，经计算某型机车主动齿轮倾斜量大于从动齿轮倾斜量，故主、从动齿轮在靠近电机侧尖角接触，如图5所示。

主动齿轮呈悬臂布置，电机前导面工作时主动齿轮受力情况如图6所示，主动齿轮受力后电机轴发生弯曲，电机轴弯曲及主动齿轮的偏斜如图7所示。此时主动齿轮、从动齿轮都发生倾斜，且倾斜方向相反，故主、从动齿轮在靠近电机侧尖角接触。

综上所述，对于主动齿轮呈悬臂布置的情况下，前导面为工作面时，主动齿轮受载荷倾斜方向与从动齿轮的倾斜方向相反，后导面为工作面时，主动齿轮受载荷倾斜方向与从动齿轮的倾斜方向相同。所以要使齿轮的传动性能良好，其啮合线应长些，故前导面的修形量要大于后导面。某型机车其主动齿轮齿向修行图(电机侧)如图8所示。

图4 后导面工作时主动齿轮受力情况(电机侧)

图5 后导面啮合面接触示意图

图6 前导面工作时主动齿轮受力情况(电机侧)

图7 前导面工作时电机轴弯曲及主动齿轮的偏斜

图8 某型机车主动齿轮齿向修形图(电机侧)

3 结束语

根据GB 3480—1997标准，采用Excel表格编制的齿轮强度计算程序可以用于齿轮强度校验。通过阐述前、后导面的概念，分析了主动齿轮对称布置与悬臂布置时的修形量不同的原因，主动齿轮悬臂布置时前导面的修形量要大于后导面的修形量。上述结论对机车齿轮设计师有一定参考价值。

[1] 朱孝录.齿轮传动设计手册[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 宋乐民.渐开线鼓形齿的鼓形量[J].齿轮，1987,11(6)：4-11.□

(编辑：李琳琳)

2095-5251(2016)02-0049-02

2015-08-05

秦美超(1984-)，男，硕士研究生学历，工程师，从事机车转向架及牵引齿轮设计研发工作。

U260.332

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